一種鉆孔清理系統(tǒng)及清理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及鉆孔清理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鉆孔清理系統(tǒng)及清理方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]我國(guó)煤礦瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重制約著礦井的安全高效生產(chǎn)，瓦斯抽采作為治理煤礦瓦斯災(zāi)害的根本措施，其抽采效果與礦井的安全生產(chǎn)密切相關(guān)。抽采鉆孔成孔的優(yōu)良及抽采的有效性不僅受制于鉆孔最初施工的工藝過(guò)程，更取決煤巖體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)及所受應(yīng)力狀態(tài)。目前我國(guó)煤礦瓦斯抽采鉆孔尚處于重視生產(chǎn)不重視養(yǎng)護(hù)階段，花費(fèi)較高成本施工完成鉆孔聯(lián)抽后即聽(tīng)之任之，使其自動(dòng)衰竭，缺乏有效的抽采鉆孔維護(hù)管理技術(shù)，造成了抽采鉆孔數(shù)目眾多、抽采瓦斯純量有限的尷尬局而。瓦斯抽采鉆孔施工難、維護(hù)不易、有效抽采時(shí)間短、抽采質(zhì)量均不高成為困擾煤礦瓦斯治理的重要因素。因此，無(wú)論對(duì)鉆孔的初次清洗，用以增加透氣性，提高瓦斯抽采效率，還是對(duì)鉆孔的修復(fù)以及長(zhǎng)期維護(hù)工作，都成為給予解決的問(wèn)題。
[0003]現(xiàn)認(rèn)為抽采鉆孔堵孔塌孔的原因主要為兩點(diǎn):
[0004]1，鉆孔受力失穩(wěn)，由于地質(zhì)構(gòu)造影響，煤體中存在的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)在三向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)仍有較高的力學(xué)強(qiáng)度，但鉆孔施工完成后，鉆孔周邊煤體經(jīng)過(guò)大量卸載會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力降低區(qū)，距離鉆孔較遠(yuǎn)處的煤體卸載量和變形量小、強(qiáng)度高；鉆孔周邊煤體則應(yīng)力釋放大、卸載量大、變形量也較大并伴隨有拉應(yīng)力的出現(xiàn)，而且在拉應(yīng)力出現(xiàn)之后，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能迅速變差，因此鉆孔周邊煤體的卸載變化規(guī)律其實(shí)就是煤體卸載本構(gòu)關(guān)系的轉(zhuǎn)移，同時(shí)也是煤體裂隙擴(kuò)展貫通、變形模量降低和強(qiáng)度逐漸喪失的過(guò)程，最終表現(xiàn)為鉆孔的失穩(wěn)；
[0005]2，泥巖水化學(xué)作用鉆孔坍塌堵孔，我國(guó)絕大部分煤層的偽頂或直接頂為泥巖，在穿層鉆孔施工過(guò)程中，存在泥巖水化膨脹。其實(shí)質(zhì)上是粘土礦物的水化膨脹。影響抽采鉆孔泥巖段水化膨脹的內(nèi)在因素是由于在積水壓差與化學(xué)勢(shì)差的作用下，水分子會(huì)侵入到粘土礦物微裂縫及顆粒之間的宏觀孔隙，進(jìn)一步進(jìn)入到巖石亞微觀與微觀孔隙發(fā)生表而水化和滲透水化。影響抽采鉆孔泥巖段水化膨脹的外在因素則有很多，包括巖石壓實(shí)程度、溫度、孔隙流體種類、濃度、pH值、作用時(shí)間、水力壓差與化學(xué)勢(shì)差、巖石孔道結(jié)構(gòu)與尺寸等。各種外因的疊加作用導(dǎo)致了水化膨脹研究的復(fù)雜性。抽采鉆孔泥巖段水化前后的區(qū)別主要為粘土顆粒吸水產(chǎn)生水化應(yīng)力、巖石內(nèi)部應(yīng)力重新分布，進(jìn)而引起孔隙壓力變化；粘土顆粒的水化膨脹，破壞巖石顆粒間原有膠結(jié)狀態(tài)，導(dǎo)致鉆孔圍巖強(qiáng)度降低及力學(xué)性能參數(shù)發(fā)生變化。由于泥巖較為致密，故當(dāng)其粘土礦物遇水膨脹體積增大后，產(chǎn)生較大的變形；巖石本身的空隙有限，造成巖石內(nèi)部產(chǎn)生較大的膨脹力，從而產(chǎn)生較大的塑性變形，使孔徑變小，鉆孔施工初期變形大，發(fā)展快，可能導(dǎo)致鉆孔嚴(yán)重變形，造成鉆孔的破壞失穩(wěn)，最終導(dǎo)致堵孔。
[0006]針對(duì)塌堵孔現(xiàn)狀及對(duì)上述對(duì)堵塌孔機(jī)理的分析，現(xiàn)階段主要采用水射流清洗疏通鉆孔，用以增透鉆孔，并通過(guò)高壓水射流疏通堵塌的鉆孔。其原理為巖體的破壞形式主要是在拉應(yīng)力作用下的脆性破壞，巖石在射流的沖擊下在打擊區(qū)正下方某一深處將產(chǎn)生最大剪應(yīng)力，打擊接觸區(qū)邊界周圍產(chǎn)生拉應(yīng)力。
[0007]但對(duì)于單一簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的鉆孔，現(xiàn)有的鉆孔清洗修復(fù)裝備尚可滿足工程需要。然而，對(duì)于復(fù)雜的鉆孔體系結(jié)構(gòu)，如羽狀鉆孔，又如最新提出的仿生學(xué)葉脈鉆孔，這類多分支鉆孔結(jié)構(gòu)，鮮有設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)此類鉆孔的清洗修復(fù)工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0008]本發(fā)明的目的是提供能夠一種可以對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的鉆孔進(jìn)行清洗修復(fù)的鉆孔清理系統(tǒng)及清理方法。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0010]本發(fā)明一種鉆孔清理系統(tǒng)，包括鉆機(jī)，所述鉆機(jī)上部設(shè)置有鉆桿，鉆桿頭部安裝有旋轉(zhuǎn)噴頭，所述鉆桿上設(shè)置有水管，所述水管與所述旋轉(zhuǎn)噴頭連通，所述旋轉(zhuǎn)噴頭端部設(shè)置有直噴嘴和斜噴嘴，所述鉆機(jī)的鉆桿上設(shè)置有用于記錄鉆機(jī)鉆孔的路徑的記錄裝置及用于驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)沿記錄的路徑運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。
[0011 ] 所述的旋轉(zhuǎn)噴頭，包括軸芯，軸芯內(nèi)部軸向開(kāi)設(shè)有第一通孔，所述軸芯一端外壁套設(shè)有轉(zhuǎn)軸，軸芯另一端與鉆桿頭部連接，所述第一通孔與所述水管連通，所述轉(zhuǎn)軸外套設(shè)有軸套，轉(zhuǎn)軸內(nèi)部軸向開(kāi)設(shè)有第二通孔，所述第二通孔與第一通孔連通，轉(zhuǎn)軸內(nèi)部徑向設(shè)置有第三通孔，所述第三通孔與第二通孔連通，轉(zhuǎn)軸伸出軸套的一端設(shè)置有轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)部徑向開(kāi)設(shè)有第四通孔，所述第四通孔與第三通孔連通，所述第二通孔靠近轉(zhuǎn)盤(pán)的外端面設(shè)置有直噴嘴，用以向鉆孔內(nèi)軸向噴射水流，所述第四通孔靠近轉(zhuǎn)盤(pán)的外端面設(shè)置有斜噴嘴，用以向鉆孔內(nèi)徑向傾斜噴射水流。
[0012]所述直噴嘴軸向截面為Y形，Y形下端為進(jìn)水口，Y形上端為雙噴水口 ；所述斜噴嘴軸向截面為梯形，梯形下端為進(jìn)水端，梯形上端為噴水端，且梯形上端邊長(zhǎng)大于梯形下端邊長(zhǎng)。
[0013]所述第三通孔與第四通孔偏心設(shè)置，第三通孔的直徑大于第四通孔的直徑，第三通孔與第四通孔連通處還設(shè)置有第一連通槽，所述第一連通槽與第三通孔接觸端的截面面積大于第三通孔的截面面積。
[0014]所述斜噴嘴相對(duì)于轉(zhuǎn)盤(pán)的外端面傾斜角度為10?15°。
[0015]所述軸芯與鉆桿頭部連接處設(shè)置有接頭，所述接頭一端設(shè)置有凸出部，所述凸出部插設(shè)于所述軸套一端，接頭另一端與鉆桿固定連接，所述接頭內(nèi)部開(kāi)設(shè)第五通孔，第五通孔一端與軸芯內(nèi)部的第一通孔連通，另一端與鉆桿上設(shè)置的水管連通。
[0016]所述第五通孔為階梯孔，階梯孔的小孔的一端與軸芯內(nèi)部的第一通孔連通，水管插接于階梯孔的大孔中，與階梯孔的小孔的另一端連通。
[0017]所述第一通孔與第二通孔連接處開(kāi)設(shè)有第二連通槽，所述第二連通槽兩端分別與軸芯與轉(zhuǎn)軸的連接處連通，所述軸套一端套設(shè)有護(hù)套，護(hù)套上開(kāi)設(shè)有第六通孔，所述轉(zhuǎn)軸和軸套上開(kāi)設(shè)有第七通孔，所述第六通孔與第七通孔連通。
[0018]所述轉(zhuǎn)軸一端卡裝于轉(zhuǎn)盤(pán)中。
[0019]所述軸套與轉(zhuǎn)軸直接通過(guò)軸承連接傳動(dòng)。
[0020]所述軸承與軸套端面之間設(shè)置有擋圈，用以卡持軸承外圈，對(duì)軸承進(jìn)行軸向的限位。
[0021]所述記錄裝置及驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)導(dǎo)線外接顯示裝置，顯示鉆機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0022]采用上述鉆孔清理系統(tǒng)對(duì)鉆孔進(jìn)行清理的方法，具體步驟如下:
[0023]第一步:在鉆機(jī)的鉆桿前部安裝記錄裝置及驅(qū)動(dòng)裝置，啟動(dòng)鉆機(jī)，并打開(kāi)記錄裝置，鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，通過(guò)記錄裝置記錄下鉆機(jī)鉆孔的路徑；
[0024]第二步:鉆孔完畢后，將鉆機(jī)退出鉆孔，關(guān)閉鉆機(jī)和記錄裝置，所述鉆機(jī)的頭部安裝有旋轉(zhuǎn)噴頭，旋轉(zhuǎn)噴頭與水管連接；
[0025]第三步:啟動(dòng)鉆機(jī)，并打開(kāi)驅(qū)動(dòng)裝置，打開(kāi)所述水管外接的水閥，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)沿著記錄裝置記錄的軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，高壓水流通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴頭上設(shè)置直噴嘴和斜噴嘴向鉆孔內(nèi)內(nèi)壁噴射，將鉆孔內(nèi)殘?jiān)鼪_洗推送至鉆孔外部，對(duì)鉆孔進(jìn)行清理。
[0026]所述記錄裝置及驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)導(dǎo)線外接顯示裝置，在鉆孔過(guò)程中，對(duì)鉆機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行顯示和記錄，在對(duì)鉆孔進(jìn)行清理的過(guò)程中，對(duì)裝有旋轉(zhuǎn)噴頭的鉆頭的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行顯示，并通過(guò)顯示裝置對(duì)兩次的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行校核，以確保對(duì)鉆孔的清理。
[0027]本發(fā)明一種鉆孔清理系統(tǒng)及清理方法的有益效果:更適用于煤礦瓦斯鉆孔的清洗，特別是針對(duì)長(zhǎng)度大、分支多、角度多變等有一定復(fù)雜性特點(diǎn)的瓦斯鉆孔，具有走向長(zhǎng)、可定位等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系鉆孔的清洗。能夠大幅度提高瓦斯治理效果，并實(shí)現(xiàn)抽采工程量的經(jīng)濟(jì)、合理性。通過(guò)直噴嘴和斜噴嘴的協(xié)同作用，在對(duì)鉆孔進(jìn)行清理時(shí)，更易將殘?jiān)鼛С鲢@孔，且清障能力良好，切削效率更大，更容易對(duì)堵塌孔進(jìn)行疏通清理。在旋轉(zhuǎn)噴頭上進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)增設(shè)的通孔結(jié)構(gòu)，與轉(zhuǎn)軸和軸芯形成的密封面形成通路，并以水作為間隙充填通路和密封面，降低密封面的摩擦，提高密封面的使用壽命。
【附圖說(shuō)明】
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[0028]圖1為一種鉆孔清理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0029]圖2為一種鉆孔清理系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3為一種鉆孔清理系統(tǒng)的工作狀態(tài)示意圖；
[0031]圖4為直噴嘴的軸向截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖5為斜噴嘴的軸向截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]1-鉆機(jī)，2-鉆桿，3-記錄裝置，4-驅(qū)動(dòng)裝置，5-旋轉(zhuǎn)噴頭，6_軸芯，7_第一通孔，8-轉(zhuǎn)軸，9-軸套，10-深溝球軸承，11-圓錐滾子軸承，12-擋圈，13-第二通孔，14-第三通孔，15-轉(zhuǎn)盤(pán)，16-第四通孔，17-第一連通槽，18-直噴嘴，19-斜噴嘴，20-接頭，21-凸出部，22-第五通孔，23-小孔，24-大孔，25-第二連通槽，26-護(hù)套，27-第六通孔，28-第七通孔，29-進(jìn)水口，30-噴水口，31-進(jìn)水端，32-噴水端，33-斜噴嘴相對(duì)于轉(zhuǎn)盤(pán)的外端面傾斜角度β，34-殘?jiān)?5-殘?jiān)海?6-堵塌孔，37-噴霧，38-葉脈鉆孔。
【具體實(shí)施方式】
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[0034]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0035]根據(jù)圖1?圖2所示，本發(fā)明一種鉆孔清理系統(tǒng)，包括鉆機(jī)1，所述鉆機(jī)1上部設(shè)置有鉆桿2，鉆桿2頭部安裝有旋轉(zhuǎn)噴頭5，所述鉆桿2上設(shè)置有水管(未圖示)，所述水管與所述旋轉(zhuǎn)噴頭5連通，所述旋轉(zhuǎn)噴頭5端部設(shè)置有直噴嘴18和斜噴嘴19，所述鉆機(jī)1的鉆桿2上設(shè)置有用于記錄鉆機(jī)鉆孔的路徑的記錄裝置3及用于驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)沿記錄的路徑運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置4，所述記錄裝置3及驅(qū)動(dòng)裝置4通過(guò)導(dǎo)線外接顯示裝置，顯示鉆機(jī)1的運(yùn)動(dòng)軌跡，在本實(shí)施例中，所述鉆機(jī)1為ZYWL-6000D型鉆機(jī)，所述記錄裝置3內(nèi)安裝有定位監(jiān)測(cè)DGS系統(tǒng)，通過(guò)定位監(jiān)測(cè)DGS系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行定位，進(jìn)而形成運(yùn)動(dòng)路徑。
[0036]所述的旋轉(zhuǎn)噴頭5，包括軸芯6，軸芯6內(nèi)部軸向開(kāi)設(shè)有第一通孔7，所述軸芯6 —端外壁套設(shè)有轉(zhuǎn)軸8，軸芯6另一端與鉆桿2頭部連接，所述第一通孔7與所述水管連通，所述轉(zhuǎn)軸8外套設(shè)有軸套9，所述轉(zhuǎn)軸8與軸套9通過(guò)軸承連接傳動(dòng)，所述軸承可以有多